摻鉺光纖放大器（EDFA）的原理及應用

作者：Johnathon Jiang

公司：駿龍科技

前言

在摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）問世以前，為了克服光傳輸中的損耗，每傳輸一段距離都要進行“再生”，即把傳輸后的弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大、整形、定時后再去調(diào)制激光器，生成一定強度的光信號。隨著傳輸碼率的提高，“再生”的難度也隨之提高，成了信號傳輸容量擴大的“瓶頸”。

EDFA的問世及實用化，實現(xiàn)了直接光放大，節(jié)省了大量的再生中繼器，使得傳輸中的光纖損耗不再成為主要問題，同時使傳輸鏈路“透明化”，簡化了系統(tǒng)，成倍地擴大了傳輸容量，促進了真正意義上的密集波分復用（DWDM）技術的飛速發(fā)展，是光通訊領域上的一次革命。

摻鉺光纖放大器的基本工作原理

1、摻鉺光纖中Er3+離子受激輻射和自發(fā)輻射

EDFA是利用摻鉺光纖中摻雜離子在泵浦光的作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而對入射光信號提供光增益，對于波長為980nm的泵浦源，摻鉺光纖相當于一個三能級的系統(tǒng)；對于波長為1480nm的泵浦源，摻鉺光纖相當于一個兩能級的系統(tǒng)，下圖（圖1）為Er3+離子能級圖：

圖1 Er3+離子能級圖

Er3+離子通過受激吸收入射波長為980nm的光子的能量，從4I15/2能級躍遷到4I11/2能級，由于4I11/2能到4I13/2能級的馳豫時間很短，4I11/2能級上的粒子很快躍遷到4I13/2能級，4I11/2能級上的粒子數(shù)基本上可認為是零。

4I13/2能級到4I15/2能級的馳豫時間比較長，為毫秒量級，是一個亞穩(wěn)態(tài)。當有波長1550nm左右的信號光子輸入時，4I13/2能級的粒子受激輻射向4I15/2能級躍遷，產(chǎn)生和入射光子同頻、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。4I13/2能級沒有受激輻射的粒子會以自發(fā)輻射的方式向4I15/2能級躍遷，產(chǎn)生波長1550nm左右的光子，其頻率、相位、方向是隨機的。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子大部分在傳輸中逃逸出光纖，但有一小部分由于傳輸方向正好在光纖的軸線上而被光纖捕獲，這一部分的光子在摻鉺光纖中傳輸（正反兩個方向）時同樣也被放大，形成放大的自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，ASE），這對于信號光來說就是噪聲。因此，對于EDFA的基本原理可以總結(jié)出如下圖（圖2）框圖：

圖2 EDFA的基本原理圖

2、摻鉺光纖放大器的光路結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)放大的目的，將一些無源光器件、泵浦光源和摻鉺光纖以特定的光學結(jié)構(gòu)組合在一起，就構(gòu)成了EDFA光放大器。根據(jù)EDFA泵浦源的布置位置，最基本的有三種光路配置，分別為前向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦，具體下圖（圖3）所示：

圖 3 EDFA光放大器三種光路配置

不過往往由于通訊系統(tǒng)的復雜性以及功能指標的多樣性等原因，實際光路圖要比基本的結(jié)構(gòu)更加的復雜。下圖（圖4）為一款實用化交付產(chǎn)品的泵浦配置和光路結(jié)構(gòu)圖：

圖4 實用化交付產(chǎn)品的泵浦配置和光路結(jié)構(gòu)圖

• EDF：摻鉺光纖，其工作機理前面已經(jīng)詳細介紹。
• WDM：耦合器，其作用是將信號光和泵浦光耦合，并一起送入摻鉺光纖，通常使用光纖熔錐型耦合器。
• GFF：增益平坦濾波器，其作用是平坦EDF的光譜，使EDFA的輸出光譜在全波段達到良好的平坦度。
• ISO：隔離器，其作用是阻擋前后級光路的ASE噪聲信號。
• LD：泵浦激光器，泵浦激光器是EDFA的能量源泉，它的作用是為光信號的放大提供能量。通常是一種半導體激光器，輸出波長為980nm或1480nm，泵浦光經(jīng)過摻鉺光纖時將鉺離子從低能級泵浦到高能級，從而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而當信號光經(jīng)過時，能量就會轉(zhuǎn)移到光信號中，從而實現(xiàn)光放大的作用。
• Spliter：分光器，EDFA中所用的分光器為一分二器件，其作用是將主通道上的光信號分出一小部分光信號送入光探測器以實現(xiàn)對主通道中光功率的監(jiān)測功能。
• PIN：光探測器，是一種光強檢測器，它的作用是將接收的光功率通過光/電轉(zhuǎn)換變成光電流，從而對EDFA模塊的輸入、輸出光功率進行監(jiān)測。

摻鉺光纖放大器的應用

EDFA通常應用于DWDM系統(tǒng)中，主要功能在于補償傳輸中的光纖損耗。根據(jù)放大器在系統(tǒng)中的位置及作用，可以分成以下三種類型：

1：功率放大器（Booster-Amplifier），處于合波器之后，用于對合波以后的多個波長信號進行功率提升，然后再進行傳輸，由于合波后的信號功率一般都比較大，所以，對功率放大器的噪聲指數(shù)（NF）、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比較大的輸出功率，如下圖（圖5）所示：

圖5 功率放大器

2：線路放大器（Line-Amplifier），處于功率放大器之后，用于周期性地補償線路傳輸損耗，一般要求比較小的NF，較大的輸出光功率，如下圖（圖6）所示：

圖6 線路放大器

EDFA的增益特性是小輸入光信號增益大，大輸入光信號時增益小，在DWDM系統(tǒng)中，如果不對Line-Amplifier的增益進行控制的話，那么，在輸入信道少時（小輸入光信號）的增益要比輸入信道多時（大輸入光信號）增益大，這會造成輸入信道少時，每個信道輸出功率大，在極端情況下，只有一個輸入信道，那么，就有可能造成輸出光信號足夠大，在光纖傳輸中產(chǎn)生非線性失真。因此，Line-Amplifier必須具有增益鎖定功能，保證在輸入是大信號和小信號時，增益都是一樣的，即每個信道的輸出光功率在輸入信道增減時都保持恒定。

3：前置放大器（Pre-Amplifier），處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號放大，提高接收機的靈敏度。在光信噪比（OSNR）滿足要求的情況下，較大的輸入功率可以壓制接收機本身的噪聲，提高接收靈敏度，所以，對前置放大器的輸出功率沒有太大的要求，但是要求NF很小，如下圖（圖7）所示：

圖7 前置放大器

結(jié)束語

隨著DWDM技術的發(fā)展，EDFA也在不停的向前發(fā)展以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務需要。本文主要介紹摻鉺光纖放大器（EDFA）的基本工作原理和三大類型應用。欲了解更多技術細節(jié)和 ADI 相關方案，請與駿龍科技當?shù)氐霓k事處聯(lián)系，或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細的技術解答。

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